MR弥散及灌注成像评价兔脊柱结核病理机制的初步研究

王云玲， 王 红， 马景旭， 贾文霄

(新疆医科大学第二附属医院影像中心， 乌鲁木齐 830063)

脊柱结核在骨关节结核中较为常见，治疗不及时可导致椎体严重破坏、脊柱畸形和各种神经损害等严重并发症[1]，早期诊断和治疗尤为重要。MRI对脊柱结核早期诊断比其他影像学检查更为敏感，敏感性为100%，特异性为88.2%[2]，可为临床早期准确制订治疗方案提供依据。常规MRI检查、MR弥散加权成像及灌注成像对脊柱结核病变的准确诊断和鉴别诊断有着重要意义[3]。本研究旨在通过建立兔脊柱结核模型，探讨MR弥散加权成像及灌注成像技术在兔脊柱结核发病早期的应用价值，为脊柱结核的早期诊断提供影像学信息和依据。

1 资料与方法

1.1实验动物及材料选择45只新西兰大白兔，雌雄不限，体质量3.0～3.5 kg，兔龄24 w以上，适应性饲养2 w后一般状态良好则纳入实验研究。随机分为3组:结核杆菌种植组(病变组)20只，生理盐水阴性对照组(对照组)20只，空白对照组(正常组)5只。选择兔第6腰椎椎体作为实验干预椎体。实验前行兔腰椎正侧位X线片、CT及磁共振检查，若发现脊柱侧弯或其他异常需排除。实验经过动物伦理委员会审查并通过后进行。

1.2造模方法将标准菌株H37Rv菌株在新疆医科大学实验室用罗氏培养基进行扩增2～3 w后取生长良好的菌落，研磨后配成均匀菌悬液(5.0 mg/mL)。将实验动物背部脱毛备皮后固定在手术板上。经耳缘静脉注射2% 戊巴比妥钠对实验兔进行麻醉, 剂量为20 mg/kg体质量。常规消毒铺巾,取后侧腹膜外入路显露第5、6腰椎椎体。于第6腰椎上部近椎间盘处从左前方向右后钻0.3 cm×0.8 cm×0.4 cm的骨孔，骨孔道止血后填入明胶海绵，实验组：注射器在明胶海绵上缓慢浸注5.0 mg/mL结核菌悬液0.2 mL。对照组：注射器在明胶海绵上缓慢浸注生理盐水0.2 mL。1～0号丝线间断关闭切口。术后青霉素80万单位注射3 d，并隔离分笼饲养，实验室保证良好通风。

1.3MR观测及参数选择使用GE signa 1.5T磁共振成像系统，采用头颈联合多通道线圈。受检兔子麻醉后取俯卧位，采用TFE序列进行定位，扫描全脊柱,用SE-EPR类型的扩散加权成像法。DWI扫描参数：TR 2 000 ms,TE 65 ms,矩阵168×113，层厚2 mm，层间距1 mm,采集5层，NSA 8，400 s/mm2，扫描时间68 s。动脉增强扫描参数为：TR3.9 ms，TE 2.0 ms，FOV 320 mm，层厚2 mm，连续扫描12个动态，用时6 min。检查结束后测量病变椎体及正常椎体的△SI、SSmax、MTT、TTP及ADC值，感兴趣区的选择及上述指标测量由影像科同一高年资医师进行，重复测量3次取平均值。

1.4组织病理学检查在影像学检查完以后，在麻醉下切取实验兔病变部组织，用10%中性福尔马林溶液固定,骨组织用10%中性甲醛溶液固定24～48 h，逐步经5%硝酸脱钙、丙酮脱水、二甲苯透明，常规石包埋,5 mm切片,HE染色，显微镜下观察结核菌造成椎体病变过程中的组织病理学变化。

1.5统计学处理采用SPSS19.0统计学软件进行统计学分析，正常椎体与病变椎体的ADC值，采用两组独立样本的t检验；对病变椎体第4、6、8周△SI、SSmax、MTT、TTP值作方差性检验，结果满足方差齐，再做球形检验，结果符合F-H条件后做重复测量的方差分析,检验水准α=0.05。

2 结果

2.1MR图像表现病变组麻醉死亡1只，对照组全部存活。术后第4周观察病变处T1WI为低信号，T2WI显示信号略增强，DWI呈稍高信号;第6周观察椎体形态正常,椎间隙未见狭窄, T1WI病变处为低信号，部分兔的椎间盘信号T2WI上结构消失, 呈不均匀高信号, DWI呈高信号;第8周时36%的兔椎体出现骨质破坏，椎间隙未见明显狭窄；47%的兔腰大肌略肿胀。椎体呈略长T1、长T2信号，DWI呈高信号。椎旁肿胀的腰大肌及椎旁少量脓肿在T1加权像显示为低信号，而T2加权像呈较高信号(图1～5)；DWI呈高信号，79%的兔椎间盘呈在T1加权像呈现低信号，在T2加权像上正常髓核应有的横行细缝隙消失。对照组术后第4周可见椎体后方软组织T1WI显示为低信号，T2WI显示信号略增强，DWI呈稍高信号，椎体形态正常。术后第6周MR检查未见明显异常。

1～3： 腰6椎体结核呈长T1、长T2信号，椎旁肿胀的腰大肌及椎旁少量脓肿在T1加权像显示为低信号，T2加权像呈较高信号。 4～5： 腰6椎体结核在b值为400 s/mm2的DWI图像上，腰5/6椎间盘显示不清，病变椎体呈高信号。在ADC图像上呈绿色，ADC值为1.08×10-3 mm2/s。

2.2DWI图像表现第6周各病变椎体的ADC值与正常椎体ADC值差异无统计学意义(t′=1.17,P>0.05)。第8周各病变椎体高于正常椎体的ADC值，差异有统计学意义(t′=17.35,P<0.05)，见表1。

表1 病变椎体与正常椎体ADC值的比较(×10-3 mm2/s, ±s)

注：与正常椎体比较，*P<0.05。

2.3PWI图像表现造模术后第4周病变组7只兔椎体见带状高灌注区，第6周椎体高灌注表现增加到12只，且高灌注区范围进一步扩大，呈条片状，而到第8周时，11只兔椎体呈现细带状高灌注改变。经计算机后处理测得△SI、SSmax、MTT、TTP值，做方差齐性检验，检验结果P>0.05，球形检验结果P>0.05，符合F-H条件，做重复测量资料的方差分析显示：第4、6、8周病变组和对照组相对信号强度增强率、最大线性斜率、平均通过时间及平均达峰时间值差异均有统计学意义(P<0.05)，对照组和正常组上述指标差异均无统计学意义(P>0.05)(表2～5)。

表2 术后第4、6、8周各组相对信号强度增强率值的比较(%， ±s)

注：与对照组比较，*P<0.05；与正常组比较，△P<0.05。

表3 术后第4、6、8周各组最大线性斜率值的比较(%， ±s)

注：与对照组比较，*P<0.05；与正常组比较，△P<0.05。

表4 术后第4、6、8周各组平均通过时间值的比较(s， ±s)

注：与对照组比较，*P<0.05；与正常组比较，△P<0.05。

表5 术后第4、6、8周各组平均达峰时间值的比较(s， ±s)

注：与对照组比较，*P<0.05； 与正常组比较，△P<0.05。

2.4病理学检查结果术后第8周病变椎体软组织内可见灶状炎细胞浸润，主要为淋巴细胞、巨噬细胞、组织细胞及少量单核细胞，病灶局限化与周围组织形成较为明显的界限，未见明显的朗格汉斯巨细胞，有形成肉芽肿性炎的趋势。骨组织内未见明显炎性改变。第8周骨组织和纤维结缔组织内可见结核样肉芽肿及干酪样坏死。病变椎体骨小梁断裂，其周围为炎性肉芽组织，有大量淋巴细胞和纤维细胞，炎性组织内死骨形成(图6～9)。

图6～7 实验动物术后第4周的软组织及骨组织切片 图8～9 实验动物术后第8周的软组织及骨组织切片

3 讨论

3.1实验动物模型的建立结核发病率的增加，加剧了对结核病控制的困难,要深入了解结核杆菌繁殖的机理、结核病的发病过程及病理变化、抗结核药物的疗效分析、病情监测等都离不开结核菌的动物实验研究。目前结核病动物模型选择以豚鼠和兔为主。豚鼠对人型结核杆菌极为易感，感染后病理变化酷似人类的病变[4]，但该模型体积较小，适于进行疾病诊断和病理变化的研究，对于外科手术操作及进行相关的影像学检查则有一定的局限性。与之相比，兔对结核杆菌的敏感性与人类相当，体积较大，可以进行外科基本手术操作及相应的影像学检查，是较为理想的模型动物[5]。林旭等[6]已经在新西兰白兔腰椎局部接种后建立了在大体外观、影像学表现及组织病理学方面与人类脊柱结核较相似的动物模型。本研究通过文献复习及前期预实验发现，兔腰椎解剖结构特殊，腰椎数目较多，横突较短薄，因此选择侧方入路椎体直接种植进行模型建立；其次预实验中发现，由于兔腰椎较薄，克氏针钻骨孔深度3～4 mm为最佳，过深易发生穿孔，菌液溢入椎管，过浅菌液易发生外溢不易形成椎体感染，通过反复预实验进行建模发现，左侧腹膜外入路，注入5.0 mg/mL结核菌悬液0.2 mL可以成功建立脊柱结核动物模型。

3.2DWI在脊柱结核早期诊断中的应用价值DWI已用序列包括自旋回波DWI(spine-echo DWI SE-DWI)、回波平面成像DWI(echop lanarimaging,EPI-DWI)等, 但SE-DWI序列成像时间相对较长, 对运动伪影敏感, EPI-DWI可明显缩短成像时间, 具有简便、易行、无创的特点。本实验分别采用SE-DWI及EPI-DWI扫描，采用SE-DWI序列所得到的图像较EPI-DWI清晰。分别在SE序列180°脉冲前后施加不同梯度因子，用b值表示，分别为200、400、600 s/mm2,扫描时间8～14 s。本研究发现随着b值的增加ADC值降低(当b=400 s/mm2)，可获得清晰的图像，测得的ADC值稳定。并且随着b值的减少图像的信噪比逐渐减低，图像质量略差，伪影增多，测得的ADC值不稳定。本研究证实兔脊柱DWI b值在400 s/mm2左右时可获得较为清晰的图像。

椎体结核多由于血行播散引起。广泛丰富的动、静脉吻合支是结核杆菌感染的最后通路, 而椎间盘是无血管结构，故病变不可能首先累及椎间盘。当单个椎骨被结核杆菌感染后，椎间盘的营养由邻近椎骨维持，此时椎间盘可保持正常；当病变进一步发展，椎间盘两侧椎体均被累及时，椎间盘失去其营养供应，才会发生病变。故在脊柱结核的病变早期不出现椎间盘的破坏而是首先引起椎体骨炎。早期结核往往没有明显的X线表现, 有时CT表现也不明显, 而MRI对椎体骨髓中水含量、蛋白及脂肪的变化非常敏感,能够在早期炎性水肿期就能有异常表现, 并能做出定性诊断[7]。迄今为止，磁共振加权成像(DWI)是唯一可提供生物组织细胞水平定性及定量信息的影像学检查手段(细胞密度及细胞膜完整性)[8]。DWI利用磁共振特殊序列突出了病理状态下，组织细胞内、外的大分子分布发生改变以及膜结构的完整性遭到破坏，使其中水分子的弥散速度发生改变，从而形成DWI上信号的异常[9]。随着弥散强度的改变,ADC值也发生改变,在进行临床研究时要充分考虑弥散强度对ADC值测定的影响[10]。本研究中对实验兔进行DWI检查，并对ADC值定期进行测量及统计学分析，发现术后第8周病变椎体与正常椎体ADC值差别较大，病变椎体的ADC值高于正常椎体，差别有统计学意义(t′=17.35,P<0.05)。

MRI常规检查结合弥散成像信号改变特点，对脊柱结核病变准确诊断鉴别诊断有着重要意义。Oner等[11]认为弥散定性研究中使用的EPI-DWI技术对涡流和磁敏感伪影更敏感，这些限制可能使显示不同脊柱病变之间ADC值的差异更困难；作为常规MRI的补充工具，non-CPMGS-FSE DWI技术在定量评价脊柱疾病方面可能更有前途，不过在提高MRI诊断脊柱病变的准确性方面，需要研究更多的病例来证实这种MRI检查序列的价值。

3.3PWI在脊柱结核早期诊断中的应用价值MRI灌注加权成像研究机体血流的动态过程已广泛应用于临床[12-13]。本研究预实验中分别选用了2、4、8 mm层厚进行扫描，发现层厚选择4、8 mm时，图像的信/噪比差，且感兴趣区较小，最后选择了2 mm层厚进行扫描，数据采集后形成时间-信号强度曲线，经计算机处理后可转化成对比剂浓度-时间曲线，并获得局部组织的血流动力学参数。动态增强测定术后第6周病变组△SI、SSmax、MTT、TTP值最高，病变组第6周与第4周△SI、SSmax、MTT、TTP值间的差异有统计学意义(P<0.05)，病变组第6周与第8周△SI、SSmax、MTT、TTP值间的差异有统计学意义(P<0.05)。第4、6、8周病变组△SI、SSmax、MTT、TTP值与对照组差异有统计学意义(P<0.05)，第4、6、8周对照组△SI、SSmax、MTT、TTP值与正常组差异无统计学意义(P>0.05)。上述结果显示病变组在术后第6周椎体的灌注参数变化达到最大值，第6周与第4周、第6周与第8周之间差异均有统计学意义(P<0.05)。本研究结果显示椎体感染结核菌第6周，病变椎体由炎性反应演变为肉芽肿形成，此时血流动力学改变最明显，病变椎体高灌注区的范围最大，呈片状，且△SI、SSmax、MTT、TTP值达到最大，到第8周后此种反应明显减低，降低原因可能与第8周以后开始出现干酪样坏死导致局部血管密度减低有关。

本实验利用MR弥散加权及灌注成像对脊柱结核病理过程进行动态研究、影像学检查与病理诊断相结合，获得脊柱结核病变不同阶段的影像学数据，认为MR弥散加权成像及灌注成像可以为脊柱结核早期诊断提供一定的信息，对脊柱结核寻找早期干预措施与传染病的治疗有积极作用。

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